DE69017809T2 - Transformatoren, insbesondere mit symmetrischer/unsymmetrischer Kopplung. - Google Patents

Transformatoren, insbesondere mit symmetrischer/unsymmetrischer Kopplung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Symmetrieübertrager, wobei es sich hier um Transformatoren handelt, die dazu geeignet sind, einen einseitigen Ausgang zu einem symmetrierten Eingang und umgekehrt anzupassen.
  • Ein Beispiel der Anwendung eines Symmetrieübertragers bzw. Symmetrierglieds ist ein Hochleistungstransistorverstärker. Dort, wo die Ausgangsleistungsanforderungen diejenigen übersteigen, die durch einen einzelnen Transistor geliefert werden können, kann eine Vielzahl von Transistoren miteinander gekoppelt werden, um die Leistungsanforderung zu teilen. In der Basisstation eines zellularen funknetzwerks würde beispielsweise unter einem Betrieb in dem Hochfrequenzbereich von 900 MHz ein Ausgangsleistungserfordernis an der Antennenzuführung typischerweise 1kWatt betragen, das durch zehn Verstärkermodule von 100 Watt zugeführt wird. Derzeit liegt die obere Grenzleistungsfähigkeit von Hochfrequenz-(HF)-Leistungstransistoren in dem Bereich von 60 Watt wodurch demzufolge, um ein solches Modul von 100 Watt zu schaffen, gekoppelte Transistoren verwendet werden müssen.
  • Ein herkömmliches und gebräuchliches Verfahren der Kopplung zweier Transistoren ist die Technik, die nach dem Stand der Technik als "Gegentakt" bekannt ist. Hier wird die Ansteuerung zwischen einem Transistorsteuerstrom durch die Last in einer Richtung und einem zweiten Transistorsteuerstrom durch die Last in der entgegengesetzten Richtung geteilt. Die Anordnung ist hinsichtlich der Impedanzanpassung vorteilhaft, die eine höhere Ausgangsimpedanz als die sehr niedrige Impedanz eines einzelnen Transistors oder eine noch niedrigere Impedanz als parallele Transistoren liefert, wobei die höhere Ausgangsimpedanz näher zu der typischen Zielimpedanz von 50 liegt, allerdings unglücklicherweise einem symmetrierten System eigen ist, das bedeutet, es liefert ein Ausgangssignal, das symmetrisch hinsichtlich des gemeinsamen Erdungspotentials der gekoppelten Transistoren ist, wobei typischerweise ein einseitiges (dies bedeutet auf das Massepotential bezogen) Ausgangssignal erforderlich ist. Eine Lösung dieses Problems ist, einen Transformator zwischen dem Ausgang des Gegentaktpaars und der Last vorzusehen. Aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften ist ein Transformator in der Lage, den symmetrierten Ausgang zu der einseitigen Last hin zu koppeln. Ein solcher Transformator wird im Stand der Technik als Symmetrieübertrager bezeichnet.
  • In dem fall einer Gegentaktanordnung besteht ein ähnliches Problem bei der Bildung der komplementären, symmetrierten Steuersignale, die durch das Gegentaktpaar von einem einseitigen Eingangssignal zu dem Verstärker erforderlich sind. Ein Symmetrieübertrager kann dazu verwendet werden, einen solchen unsymmetrierten Eingang in die symmetrierten Steuersignale zu wandeln.
  • Viele Arten eines Symmetrieübertragers, einschließlich formen von übertragungsleitungen, sind nach dem Stand der Technik bekannt. Beispiele sind durch C.L. Ruthroff in seiner Abhandlung "Some Broad-Band Transformers" (Proceedings of the Institute of Radio Engineers, 1959), Seiten 1337-1342, beschrieben.
  • In Hochfrequenz-HF-Verstärkeranwendungen wird typischerweise ein Koaxialkabelübertragungsleitungs-Symmetrierglied verwendet, zum Beispiel einer Länge einer viertel Wellenlänge eines Kabels, dessen äußerer Leiter an der einseitig endenden Seite geerdet ist. Ein zugeführter, einseitiger Eingang wird dann einen symmetrierten Ausgang zwischen den Kabel-Leitern an dem entfernten Ende des Kabels liefern; gleichermaßen wird ein symmetri ertes Signal, das an der nicht geerdeten Seite zugeführt wird, einen einseitig endenden Ausgang liefern. Der Einsatz solcher Symmetrieübertrager in HF-Gegentaktverstärkerschaltkreisen wird dem fachmann auf dem fachgebiet bekannt sein.
  • Obwohl eine gute Leistung erzielt wird, ist eine Anzahl von Nachteilen mit Koaxilkabelsymmetrieübertragern verbunden. Die Symmetrieübertrager werden durch Abschneiden eines Koaxialkabels auf eine Länge hergestellt, und unter Hochfrequenz beeinflussen gerade kleine Ungenauigkeiten in der Länge die Leistung bzw. Eigenschaft, auch ist die Art der Kabelkomponente nicht zu einer mechanisierten Anbringung und einem Verlöten geeignet. Demzufolge liefern die Herstellungstoleranzen, die mit einem manuellen Zusammenbau verbunden sind, Leistungsvariationen zwischen einem Verstärker und einem anderen. Bei dem Versuch, die Probleme zu beseitigen, wurden Symmetrieübertrager einer gedruckten form, die eine gute Reproduzierbarkeit liefern, erprobt. Gedruckte Schaltkreisformen von Symmetrieübertragern sind bekannt (siehe zum Beispiel US-Patent 4,193,048, erteilt für Nyhus). Unglücklicherweise kann ein herkömmlicher Aufbau, der flach auf einer Schaltkreisleiterplatte aufgedruckt ist, nicht in Hochleistungsanwendungen aufgrund der Nähe der großen Metallwärmesenken verwendet werden, die mit solchen Verstärkungstransistoren verbunden sind. Unvermeidlich befindet sich eine Seite der Schaltkreisleiterplatte näher zu dem Metall als die andere, was ein unakzeptierbares Ungleichgewicht in parasitären Kapazitäten verursacht, die auf den Symmetrieübertrager beaufschlagt werden. Bis heute sind nur einfache, gedruckte formen auf gesonderten Leiterplatten verwendet worden, die normal an der Verstärkerleiterplatte befestigt sind, um eine parasitäre Symmetrie zu erzielen. Solche Leiterplatten sind mechanisch beschädigbar, und, obwohl sie selbst reproduzierbar sind, können sie nicht automatisch zusammengebaut werden.
  • Die Europäische Patentanmeldung No. EP-A-0324240, von der der Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 abgeleitet worden ist, und die UK-Patentanmeldung No. GB-A-2084809 offenbaren jeweils planare Transformatoranordnungen.
  • Die vorliegende Erfindung liefert im Gegensatz dazu einen Symmetrieübertrageraufbau, der in Hochleistungsanwendungen verwendbar ist, der flach aufgedruckt werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Symmetrieübertrager geschaffen, der einen einseitigen Signalanschluß und einen symmetrierten Signalanschluß bildet, wobei der Symmetrieübertrager umfaßt:
  • mindestens ein erstes Leiterelement, das sich zwischen dem einseitigen Signalanschluß und Masse bzw. Erde erstreckt,
  • und mindestens ein zweites Leiterelement, das transformatorisch mit mindestens einem ersten Leiterelement verbunden und elektrisch dagegen isoliert ist, wobei sich das mindestens eine zweite Leiterelement in einer elektrischen Symmetrie von der Masse zu dem symmetrierten Anschluß erstreckt, wobei der Symmetrieübertrager gekennzeichnet ist durch:
  • das erste und das zweite Leiterelement sind auf an gegenüberliegenden Seiten einer elektrischen Isolationsschicht angeordnet; und
  • der symmetrierte Anschluß ist elektrisch in der Mitte des mindestens einen zweiten Leiterelements angeordnet und das mindestens eine erste Leiterelement ist so angeordnet, daß der Mittelpunkt des mindestens einen ersten Leiterelements, der die elektrische Mitte des mindestens einen ersten Leiterelements festlegt, zu dem symmetrierten Anschluß hin gerichtet ist, wobei der Symmetrieübertrager unter einer Mehrzahl von frequenzen betreibbar ist.
  • Vorzugsweise nehmen die Leiterelemente die form eines anstoßenden, ineinanderübergehenden Leiters ein, der eine ähnlichen form wie beispielsweise eine geschlossene Schleifenform aufweisen kann. Vorteilhafterweise erstrecken sich die zweiten Leiterelemente von einer gemeinsamen Masse ausgehend. Die Leiter können in einer gedruckten Schaltkreisform realisiert werden.
  • In einer bevorzugten Form der Erfindung, die für Breitbandanwendungen geeignet ist, wird ein Leck- bzw. Verlustkompensationskondensator mit dem symmetrierten Ausgangsanschluß verbunden und Leiterelemente können durch einen geerdeten Leiter umgeben werden.
  • Ein Symmetrieübertrager gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einem Verstärker, beispielsweise ein Hochleistungs-HF-Verstärker, der eine Gegentaktstufe umfaßt, verwendet werden.
  • Damit die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung weiterhin ersichtlich werden, werden nun Ausführungsformen, nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Figur 1 einen Symmetrieübertrager gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • Figur 2 eine form des Symmetrieübertragers der figur 1 darstellt.
  • Figur 3(a) eine Ansicht einer gedruckten Schaltkreisform eines Symmetrieübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung von einer Seite der gedruckten Schaltkreisplatte darstellt;
  • Figur 3(b) die gegenüberliegende Seite darstellt;
  • Figur 3(c) die entkoppelte Version der figur 3(a) darstellt;
  • Figur 4 einen Gegentakt-Hf-Leistungsverstärker darstellt, der einen Symmetrieübertrager gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt; und
  • Figur 5 eine Schnittansicht des Verstärkers der figur 4 darstellt, der auf einer gedruckten Leiterplatte aufgebaut ist.
  • Ein Symmetrieübertrager 10 (figur 1) weist einen einseitigen Signalanschluß und einen symmetrierten Signalanschluß 12 auf. Leiterelemente 14 und 15 bilden eine erste Elementengruppe, die sich von dem einseitigen Anschluß 11 zu einer Erdung erstrecken. Die Leiterelemente 16 und 17 erstrecken sich von dem abgeglichenen Anschluß 12 jeweils zu Erdungen 18 und 19 und sind elektrisch symmetrisch. Die Leiterelemente 14 und 15 bilden ein erstes Leiterpaar, das elektrisch gegenüber einem zweiten Leiterpaar, das durch die Leiterelemente 16 und 17 gebildet wird, isoliert ist. Unter Verwendung erzeugt ein Signal, das zu dem einseitigen Anschluß 11 zugeführt wird, einen symmetrierten Signalausgang an dem symmetrierten Signalanschluß 12 aufgrund der Transformatorkopplung (schematisch bei 100 angegeben) zwischen dem ersten Leiterpaar 14,15, das als primäres wirkt, und dem zweiten Leiterpaar 16,17, das als ein sekundäres wirkt. Zum Beispiel kann ein Signal aufgrund eines einseitigen Generators 101 eine abgeglichene Last 102 eines Wert Z&sub0; steuern. Alternativ liefert ein symmetriertes Signal, das zu einem symmetrierten Anschluß 12 zugeführt wird, ein einseitiges Ausgangssignal an dem Anschluß 11. In dieser Anordnung bilden Leiter 16,17 die primären und Leiter 14,15 die sekundären Leiter.
  • In einer bevorzugten form der vorliegenden Erfindung sind die Leiter 14 und 15 als ein einseitiger, ineinandergedrückter bzw. zusammengeführter Leiter 20 (figur 2) gebildet, und Erdungen 18 und 19 sind als ein gemeinsamer Punkt 21 gebildet, bei dem es sich um eine kalte Stelle handelt und die durch einen Kondensator entkoppelt werden kann, um eine Energieversorgungszuführung 23 (figur 3(c)) zu verbinden, so daß die Leiter 16,17 auch als ein einzelner Leiter 22 gebildet sind. Ansonsten tragen ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen wie in figur 1.
  • Es wird ersichtlich werden, daß diese form der vorliegenden Erfindung selbst die Herstellung auf einer gedruckten Leiterplattenkonstruktion gewährleistet, wobei die Leiter 20 und 22 direkt auf die Oberfläche der gedruckten Leiterplatte aufgedruckt werden. Die sich ergebende Anordnung kann deutlicher in den figuren 3a-3c gesehen werden, wo ähnliche Teile zu den figuren 1 und 2 entsprechende Bezugszeichen tragen. In der Anordnung der figuren 3a-3c werden ein Leiter 20 an einer Seite der gedruckten Leiterplatte, ein Leiter 22 an der anderen Seite angeordnet und die Anschlußverbindungen 11 und 12 durch eine Grund- bzw. Erdungsebene 30 umgeben. Die Nähe der Grundplatte begründet eine grundsätzliche Quelle von parasitären Kapazitäten, die mit dem Transformator gekoppelt sind, wodurch demzufolge der Effekt anderer Streukapazitäten verringert wird, die vorhanden sein können. Die Grundebene kann an der oberen Oberfläche der Platte weggelassen werden, falls dies erwünscht ist.
  • Eine Anzahl von Vorteilen dieser gedruckten formen der vorliegenden Erfindung werden nun für den fachmann auf dem fachgebiet ersichtlich. Der Symmetrieübertrager wird flach auf die gedruckte Leiterplatte aufgedruckt, die dieselbe gedruckte Leiterplatte sein kann, die beispielsweise einen Verstärker trägt, und sie ist mit einer gedruckten Leiterplattenpräzision reproduzierbar. Kein Zusammenbau ist erforderlich und dort besteht keine Komponenten- oder Zusammenbautoleranz, die die Schaltkreiseigenschaft beeinflußt.
  • Die Ausführungsformen des Symmetrieübertragers, der bis jetzt beschrieben ist, sind zur Verwendung in einem Hochfrequenz-HF-Leistungsverstärkerschaltkreis geeignet, der Transistoren in einer Gegentaktanordnung verwendet. Ein Verstärker 40 (figur 4, in der Symmetrieübertrager in einer schematischen Darstellung dargestellt ist) weist zwei Transistoren 41,41' auf, die in einer Gegentaktkonfiguration angeordnet sind. Der tatsächliche Schaltkreis ist in einer vorgegebenen Anwendung geeignet, die innerhalb des Kompetenzbereichs eines fachmanns auf dem betreffenden fachgebiet liegt. Ein Eingangssignal zur Verstärkung kann zu einem einseitigen Anschluß 45 zugeführt werden. Ein Symmetrieübertrager 48 gemäß der vorliegenden Erfindung liefert komplementäre, symmetrierte Signale an Leitungen 49,49', um das Gegentaktpaar 41,41' von dem gedruckten, passenden Netzwerk 405 anzusteuern, das wiederum einen symmetrierten, verstärkten Ausgang auf den Leitungen 400,400' über ein zweites, passendes Netzwerk 406 liefert, das Mikrostufen-Leitungen umfaßt, wie beispielsweise eine Leitung 407, um in einen einseitigen, abschließenden Ausgang bei 401 durch den Symmetrieübertrager 402 gewandelt zu werden. Die Symmetrieübertrager 48 und 402 besitzen Kondensatoren 403,404, die über deren entsprechende, symmetrierte Anschlüsse verbunden sind, um Verluste in Breitbandanwendungen zu kompensieren.
  • In einer konstruierten form 50 des Gegentaktverstärkers der figur 4 ist (figur 5) eine gedruckte Schaltkreisleiterplatte 51, die aus einem Teflon/Glas-Material hergestellt ist, das für HF-Anwendungen geeignet ist, befestigt. Die Symmetrieübertrager 48 und 402 besitzen Leiter 20' ,22' und 20",22", die jeweils auf den jeweiligen Seiten der Leierplatte 51 vorhanden sind. Die Leiter sind von einer Erdungsplatte 30' umgeben. Leistungstransistoren (41,41') in einem einzelnen Package 55 sind mit ihrer Metallbefestigungsplatte 52 an einer Metallwärmesenke 53 mittels Schrauben 54 so befestigt, daß sie mit Erde verbunden sind. Die Basis- und Kollektortransistorzuführungen können über entkoppelte Symmetrieübertrager des Typs, der in figur 3 (c) dargestellt ist, verbunden werden. Für die Wärmesenke 53 ist es erforderlich, daß sie massiv hinsichtlich einer hohen Wärmeaverlustleistung des Transistors ist, der typischerweise in der Klasse AB arbeiten würde, oder gerade in Klasse A, wobei beide davon relativ ineffektiv sind, da sich die Wärmesenke 53 über die Länge der Leiterplatte 51 erstreckt, um eine kompakte Struktur zu bilden, wie es dazu erforderlich ist, einen vollständigen Hochleistungs-HF-Verstärker (der aus vielen solcher Verstärker besteht) einer annehmbaren Größe zu erhalten. Ausschnitte 57,58 sind in der Wärmesenke-53 vorgesehen, um die unterseitigen Leiter der Symmetrieübertrager 48,402 jeweils aufzunehmen.
  • Es wird ersichtlich werden, daß die symmetrierten Seitenleiter (22' für den Symmetrieübertrager 48, 22' für den Symmetrieübertrager 402) jeweils gleichförmig durch irgendeine Parasität beeinflußt werden, die dort aufgrund der Nähe zu der Wärmesenke 53 auftreten kann, das bedeutet, beide Seiten des symmetrierten Ausgangs (Symmetrieübertrager 48) oder des balancierten Eingangs (Symmetrieübertrager 402) werden gleichmäßig beeinflußt.
  • Dies ist das wichtige Ergebnis, das den Symmetrieübertragern ermöglicht, daß sie flach als ein Teil der gedruckten Schaltkreisleiterplatte des Verstärkers gedruckt werden können. Dies ist ein Abweichen gegenüber gedruckten Symmetrieübertrageranordnungen nach dem Stand der Technik, wo die symmetrierte Seite teilweise oberhalb und teilweise unterhalb der gedruckten Schaltreisleiterplatte gebildet ist, die zu unakzeptablen, asymmetrischen, parasitären Effekten führt.
  • Die vorstehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden unter Bezugnahme auf einen gedruckten Schaltkreisleiterplattenaufbau beschrieben, der eine geeignete Art und Weise der Bildung von Leiterelementen darstellt, die durch einen dielektrischen Träger elektrisch isoliert sind. Es wird ersichtlich werden, daß nichtsdestotrotz die vorliegende Erfindung auf alle Konstruktionen anwendbar ist, die elektrisch isolierte Leiter bilden.

Claims (11)

1. Symmetrieübertrager, der einen einseitigen Signalanschluß (11) und einen symmetrierten Signalanschluß (12) bildet, wobei der Symmetrieübertrager umfaßt:
mindestens ein erstes Leiterelement (15, 14), das sich zwischen dem einseitigen Signalanschluß (11) und Masse (13) erstreckt,
und mindestens ein zweites Leiterelement (16, 17), das trarsformatorisch mit mindestens einem ersten Leiterelement verbunden und elektrisch dagegen isoliert ist, wobei sich das mindestens eine zweite Leiterelement in einer elektrischen Symmetrie von der Masse (19, 18) zu dem symmetrierten Anschluß (12) erstreckt, wobei der Symmetrieüberträger gekennzeichnet ist durch:
das erste und das zweite Leiterelement sind auf sich gegenüberliegenden Seiten einer elektrischen Isolationsschicht (51) angeordnet; und
der symmetrierte Anschluß ist elektrisch in der Mitte des mindestens einen zweiten Leiterelements angeordnet und das mindestens eine erste Leiterelement ist so angeordnet, daß der Mittelpunkt des mindestens einen ersten Leiterelements, der die elektrische Mitte des mindestens einen ersten Leiterelements festlegt, zu dem symmetrierten Anschluß hin gerichtet ist, wobei der Symmetrieübertrager unter einer Mehrzahl von Frequenzen betreibbar ist.
2. Symmetrieübertrager nach Anspruch 1, wobei die Leiterelemente die form eines anstoßenden, ineinanderübergehenden Leiters (20,22) bilden.
3. Symmetrieübertrager nach Anspruch 2 und wobei die ineinanderübergehenden Leiter von ähnlicher Form sind.
4. Symmetrieübertrager nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 und wobei mindestens ein ineinanderübergehender Leiter von einer geschlossenen Schleifenform ist.
5. Symmetrieübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei sich die zweiten Leiterelemente von einer gemeinsamen Erdung (21) zu dem symmetrierten Anschluß erstrecken.
6. Symmetrieübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Leiter in gedruckter Schaltkreisform besitzt.
7. Symmetrieübertrager nach Anspruch 6, wobei die elektrisch isolierende Schicht eine gedruckte Schaltkreisleiterplatte aufweist, wobei die ersten Leiterelemente auf einer ersten Oberfläche der gedruckten Schaltkreisleiterplatte aufgedruckt sind und die zweiten Leiterelemente auf einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche der gedruckten Schaltkreisleiterplatte aufgedruckt sind.
8. Symmetrieübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Leckage- bzw. Kompensationskompensator (25) umfaßt, der mit dem symmetrierten Ausgangsanschluß verbunden ist.
9. Symmetrieübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und wobei die Leiterelemente durch einen geerdeten Leiter umgeben sind.
10. Verstärker, der einen Symmetrieübertrager umfaßt> wie er in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist.
11. Verstärker nach Anspruch 10 und der eine Gegentaktstufe umfaßt.
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